高楼钢结构体系：钢管混凝土杆件性能现象

1.基本力学性能

（1）借助内填混凝土来增强钢管薄壁的受压屈曲稳定性。

（2）借助钢管对管内混凝土的紧箍（约束）作用，使混凝土处于三向受压状态，从而具有更高的抗压强度和变形能力。

（3）采用高性能的高强混凝土，将进一步提高钢管混凝土杆件的承载力和延性。

2.静力性能

（1）轴压杆件

1）钢管混凝土杆件的钢管与混凝土起着相互约束作用。在轴压荷载作用下，内填混凝土受到钢管的紧箍效应，处于三向受压状态，延缓了混凝土受压时的纵向开裂；薄壁钢管则借助于内填混凝土的侧向支承，推迟了管壁受压屈曲的发生，增强了受压稳定性。

2）圆钢管混凝土杆件的受压承载力，可达到钢管与混凝土柱体单独承载力之和的1.7～2.0倍。方形（含矩形）钢管混凝土杆件，由于钢管与混凝土的相互约束作用较弱，其受压承载力的提高幅度也较小。

3）图1-13为方钢管混凝土杆件、空钢管、素混凝土柱体单独进行轴压试验所得结果的对比情况，可以看出，方钢管混凝土的承载力和变形能力，都大大高于空钢管与内填混凝土的单独承载力之和。

4）试验结果表明，钢管混凝土短柱轴心受压破坏时，往往可以被压缩到原长度的2/3，仍没有脆性破坏特征，表明它具有很大的塑性变形性能。

5）钢管混凝土柱与空钢管柱的破坏形态有着较大差别，空钢管柱是首先在中段截面处发生局部屈曲，最终形成塑性铰而破坏（图1-14a）；而钢管混凝土柱则表现出较好的塑性和稳定性，外钢管没有发生明显的局部屈曲（图1-14b）。

图1-13 方钢管混凝土轴压杆件的轴力-应变曲线

图1-14 受压杆件的屈曲模态

a）空钢管柱 b）钢管混凝土柱

6）钢筋混凝土柱的破坏是以混凝土的劈裂、崩落为标志；而钢管混凝土柱的破坏则是以钢管的胀裂为标志。

（2）受弯杆件

1）试验结果表明，受弯的钢管混凝土杆件，当跨中截面处挠度达到跨度的1/20时，外荷载仍能有所增加，表明杆件即使在挠度很大的情况下仍具有承受外弯矩的能力。

2）方钢管混凝土和圆钢管混凝土受弯杆件的弯矩-曲率（M-φ）关系曲线非常相似。

（3）压弯杆件

1）偏心受压杆件（图1-15），一开始就发生挠曲，且截面上的应力分布不均匀。

2）较小长细比（λ＜12）且荷载偏心率较小的偏压杆件，破坏时多呈现出强度型破坏特征，在达到极限承载力之前，全截面发展塑性。长细比较大的偏压杆件，往往伴有整体失稳的因素。

3）图1-16a所示三条曲线为不同长细比和偏心率偏压杆件的荷载-挠度（N-u_m）关系曲线。三类杆件危险截面上钢管应力的分布也不同（图1-16b），曲线①，是全截面受压；曲线②，受压区单侧发生塑性变形；曲线③，压、拉两侧都发生塑性变形。

4）管内混凝土受到钢管的有效约束，不致过早地被压碎；内填混凝土又反过来阻止或延缓钢管的局部屈曲，从而保证两者的材料得以超常发挥，承载力增大，且使杆件的压弯破坏过程具有较大的塑性。

（4）受剪杆件

1）与钢筋混凝土杆件受剪脆性破坏不同，钢管混凝土杆件受剪时，由于钢管与内填混凝土的相互约束，其破坏形态也呈塑性。

2）剪力作用下的钢管混凝土杆件，其受剪承载力的计算，可适当考虑截面剪切变形的塑性发展，取钢管最大纤维应变接近剪切屈服、混凝土开始微裂时（图1-17曲线的A₀点）的受剪承载力，作为截面抗剪强度极限。

图1-15 偏心受压杆件示意图

图1-16 压弯杆件的荷载-变形曲线

3）钢管混凝土杆件受剪时，经历弹性阶段（图1-17曲线的OA段）、弹塑性阶段（AB段）和塑性强化阶段（BD段）。钢管屈服后，混凝土虽已微裂，但仍能有效地阻止钢管局部失稳，受剪承载力得以继续增长，表现出良好的塑性性能，而且受剪承载力有着较大幅度的提高。

3.动力性能

以上论述表明，在静力荷载作用下，钢管混凝土结构具有十分良好的塑性。当钢管混凝土结构用于地震区高层建筑时，需要探明其动力性能，以便进行结构的弹塑性地震反应分析，采取恰当的抗震措施。

图1-17 钢管混凝土杆件的剪应力-剪应变曲线

（1）压弯杆件弯矩-曲率滞回特性

1）由于钢管与混凝土相互约束，共同工作，阻止钢管的局部屈曲，管内混凝土由脆性转变为塑性，压弯杆件的弯矩-曲率（M-φ）滞回曲线表现出良好的稳定性，基本上没有出现刚度退化和强度劣化现象，曲线图形饱满，呈纺锤形，无捏拢现象，吸能性能良好。

2）典型的圆、方钢管混凝土压弯杆件的弯矩-曲率滞回曲线示于图1-18。两条曲线大致可分为以下6个阶段：

图1-18 压弯杆件弯矩-曲率滞回曲线

a）圆钢管混凝土 b）方钢管混凝土

①OA段——呈直线，钢管处于弹性受力状态。在A点，受压区钢管最外纤维开始屈服，卸载区开始出现拉应力。(www.xing528.com)

②AB段——呈曲线，截面总体处于弹塑性状态；随着外加弯矩的增加，钢管受压区的屈服面积不断增加，刚度不断衰减。

③BC段——呈直线，从B点开始卸载，卸载刚度与OA段基本相同；在C点，弯矩为零，但截面上有残余正向曲率。

④CD段——反向加载，弯矩-曲率关系基本上呈直线，钢管处于弹性状态。在D点，受压区钢管最外纤维开始屈服，截面部分混凝土开始出现拉应力。

⑤DE段——截面处于弹塑性阶段，随受压区钢管屈服面积的不断增大，截面刚度开始逐渐降低。

⑥EF段——工作状态类似于BE段，由于钢材进入强化阶段，压区混凝土受到钢管的约束，整个截面仍具有一定的刚度。

以上情况表明，钢管混凝土压弯杆件弯矩-曲率骨架曲线的特点是：①无显著的下降段；②转角延性好。曲线的形状与不发生局部失稳的钢杆件相类似。

（2）压弯杆件侧力-侧移滞回曲线

1）钢管混凝土框架柱在往复水平荷载作用下（图1-19）的侧力-侧移（F-u）滞回曲线示于图1-20。从中可以看出，曲线形状饱满，基本上无捏拢现象，表明吸能性能良好，从而说明钢管混凝土框架柱具有优良的耐震性能。

2）从图1-20a、b可以看出，圆钢管混凝土柱F-u滞回曲线的骨架线无下降段，而方钢管混凝土柱则具有较平缓的下降段，说明方钢管混凝土柱的耐震性能稍差。

图1-19 往复水平荷载作用下框架柱的层间侧移

3）试验分析结果表明，下列几种参数将对F-u滞回曲线的骨架曲线（各次循环加载时滞回曲线峰值点的连线）的形状产生影响：

①轴压比——轴压比（n）愈大，水平承载力和强化段刚度愈小。当n达到一定数值时，曲线将出现下降段，下降段的倾斜度随n的增大而变陡，柱的延性也越来越小。

②长细比——柱长细比（λ）的影响与n的影响类似。

图1-20 钢管混凝土框架柱的F-u滞回曲线

a）圆钢管混凝土柱 b）方钢管混凝土柱

③含钢率——构件弹性阶段刚度和水平承载力（F），随柱含钢率（ρ_s）的增大而提高，曲线下降段的下降幅度也略有减小。

④钢材屈服极限——构件的水平承载力（F），随钢管钢材屈服极限（f_y）的提高而增大。

⑤混凝土抗压强度——构件的位移延性，随管内混凝土抗压强度（f_ck）的增大而减小。

（3）构件延性

1）清华大学曾对采用高强混凝土的钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱和钢管混凝土柱的抗震延性，作过一些对比试验，在试件尺寸、加载装置、加载制度、轴压比等试验条件相同的情况下，得出三类构件作为延性表征的极限位移（侧移）角R_u，列于表1-21。

表1-21 往复水平荷载下三类构件的极限位移角Ru

2）从表中数字可以看出，钢管混凝土柱的延性约比型钢混凝土柱高出50%。试验结果表明，强度仅为60MPa、轴压比为0.4时的钢筋混凝土柱试件，在进入屈服阶段后，很难在每级水平位移下经历3次循环时，还能使抗力下降段的幅度值维持在最大抗力值的80%以上；此外，即使在每级水平位移下仅往复循环一次，其极限位移角也比较小。

3）抗震设防的框架柱，当采用高强混凝土时，应优先采用具有良好延性的钢管混凝土结构，其次是型钢混凝土结构。

（4）位移延性系数

1）位移（侧移）延性系数μ的定义为

μ＝u_u/u_y

式中u_y——屈服位移，取F-u骨架曲线的弹性段延线与峰值（峰点）处切线的交点处位移；

u_u——极限位移，取水平承载力下降到峰值承载力85%时的位移。

2）钢管混凝土框架柱的位移延性系数μ，随其轴压比、长细比的增大而逐渐减小。

3）位移延性系数有随含钢率的增大而逐渐增大的趋势。

4）位移延性系数还随钢材屈服极限、混凝土强度的增大而呈现逐渐减小的趋势。

（5）耗能比

1）钢管混凝土柱的典型F-u滞回环曲线示于图1-21，其耗能比φ可表示为

φ＝S₁/S₂，S₁＋S₂＝S

式中S₁——杆件在一个周期内所吸收的能量，又称耗能容量，它是衡量构件在地震作用下吸收能量的重要参数；

S₂——杆件在一个周期的卸载过程中所释放的能量；

S——水平荷载所做的功。

图1-21 钢管混凝土框架柱的侧力-侧移滞回环曲线

2）钢管混凝土框架柱的耗能容量S₁，①随其轴压比、长细比的增大而减小；②随柱的含钢率、钢材屈服极限的增大而呈现增大趋势。